автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика и массообмен в аппаратах с циклическим режимом работы

30

На правах рукописи

003053709

Азизов Сергей Борисович

ГИДРОДИНАМИКА И МАССООБМЕН В АППАРАТАХ С ЦИКЛИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2007

003053709

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Анаников Сергей Ваганович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Николаев Николай Алексеевич

- кандидат технических наук, доцент Знганшин Малик Гарифович

Ведущая организация - Г'УП «Всероссийский научно-нсслсдова-

тельскин институт углеводородного сырья» (ВНИИУС), г. Казань.

Защита диссертации состоится 2 марта 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 080. Об. при Г'ОУ ВПО КГТУ по адресу: 420015, Казань, ул. К.Маркса, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 29 января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.и., профессор

Поникаров С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ*

Актуальность работы. Одной из серьезных проблем, стоящей перед рядом отраслей промышленности, такими, как: химическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, энергетическая и др., является проблема комплексной очистки промышленных газовых выбросов от вредных компонентов. Решение этой проблемы осложняется тем, что зачастую газовые выбросы достигают больших величин.

Получившие широкое распространение в процессах очистки газовых выбросов аппараты барботажного типа и в первую очередь аппараты с ситчатыми тарелками, обладающие сравнительно низкими капитальными затратами и энергетическими потерями, эффективно работают при среднерасходных скоростях газа 0,6 - 1,5 м/с, что приводит к необходимости увеличения диаметра аппаратов при больших нагрузках по газовой фазе. Однако, как показал опыт их промышленной эксплуатации, увеличение диаметра аппаратов ведет к существенному снижению эффективности очистки из-за развивающегося влияния градиента уровня жидкости на контактной ступени и, как следствие, воникающей неравномерности распределения фаз по сечению аппарата.

Одним из путей решения этой проблемы является использование аппаратов с циклическим режимом работы, позволяющих исключить указанные недостатки и создавать конструкции большого диаметра, способные осуществлять очистку больших объемов газовых выбросов без снижения эффективности массообмена.

Поэтому, представляет несомненный практический и научный интерес исследование основных характеристик барботажных аппаратов, работающих в циклическом режиме, с целью выявления оптимальных режимов их работы, а также создание научно-обоснованной методики их расчета и проектирования.

Цель работы и основные задачи исследования. Целыо работы является теоретическое и экспериментальное исследование харакеристик барботажных аппаратов, работающих в циклическом режиме и предназначенных для , комплексной очистки больших объемов газовых выбросов промышленных предприятий.

Непосредственные задачи исследования включали: -технико-экономический анализ характеристик аппаратов барботажного типа;

- разработку новых конструкций аппаратов с контролируемый циклами;

- исследование динамических характеристик аппаратов с циклическим режимом работы;

- разработку математической модели массообмена на контактных ступенях аппаратов с циклическим режимом работы;

- экспериментальное исследование массопереноса в аппаратах с контролируемыми циклами;

- разработку алгоритма расчета аппаратов, работающих в циклическом режиме, предназначенных для абсорбционной очистки газовых выбросов.

*В руководстве работой принимал участие кандидат технических наук, доцент Фарахов М.И

Научная новизна.

- впервые реализован способ массообмена в цикличском режиме без прерывания подачи потоков фаз в аппарат, обеспечивающий сохранение высокой эффективности при любом диаметре аппарата;

- впервые выполнен комплекс теоретических исследований динамических характеристик контактных ступеней нового типа, в том числе зависимостей времени пребывания жидкости на контактной ступени и времени слива жидкости от конструктивных параметров контактного устройства;

- впервые выполнен комплекс исследований массопереноса на примере абсорбции хорошо- и труднорастворимых газов из газовоздушной смеси, подтвердивший возможность увеличения диаметра аппаратов без снижения эффективности контактных ступеней.

- впервые разработана математическая модель процесса массообмена на контактных ступенях аппаратов с циклическим режимом работы и подтверждена её адекватность на основе сопоставления полученных экспериментальных данных с расчетными.

Практическое значение работы.

- созданы конструкции массообмецных аппаратов, реализующих циклический режим работы, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ.

- на основе комплекса выполненных экспериментальных исследований и математического моделирования разработана научно-обоснованная методика расчета и проектирования абсорбционных аппаратов, работающих в режиме с контролируемыми циклами.

На защиту выносится:

- перспективность новых конструкций массообменных устройств с циклическим режимом работы;

- результаты теоретического определения времени межфазного контакта при циклическом режиме;

- результаты теоретического исследования времени слива жидкости в условиях контролируемых циклов;

- математическая модель массообмена на контактной ступени аппарата с циклическим режимом работы;

- результаты экспериментального исследования кинетики процесса абсорбции на контактной ступени аппарата с циклическим режимом работы и оценка адекватности математической модели;

- алгоритм расчета эффективности массообмена в циклическом режиме и его компьютерная реализация

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на: 2-й Республиканской конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-92», г. Нижнекамск, 1992 г.; 4-й традиционной научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование эколо-гических производств», г. Волгоград, 1998 г., Всероссийской междисциплинарной научной конференции «Третьи Вавиловские чтения. Социум в преддверии XXI века: итоги пройденного пути, проблемы настоящего и контуры будущего», г. Йошкар-Ола, 1999 г.; 4-й

Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», г. Санкт-Петербург, 1999 г.; 5-й Между-народной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.В. Кафарова «Методы кибернетики химико-технологических процессов», г. Казань, 1999 г.; Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора А.Г. Усманова «Тепло- и массообмен в химической технологии», г. Казань, 2000 г.; Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, пауки и производства», г. Казань, 2004 г. Результаты работы докладывались и обсуждались также на ежегодных научных сессиях Казанского государственного технологического университета, 1998-2006 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 научных статей и докладов в периодических научных изданиях и трудах конференций, в том числе получены 1 авторское свидетельство СССР и 2 патента Российской Федерации.

Обч.ем н структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав текста, выводов, списка использованной литературы из 92 наименований и приложения. Работа изложена на 120 страницах, содержит 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана перспективность использования абсорбционных аппаратов с циклическим режимом работы для очистки больших объемов газовых выбросов.

В нерпой главе рассмотрено современное состояние проблемы обработки газожидкостных систем в циклических режимах.

На основании анализа работ отечественных и зарубежных авторов выявлено влияние следующих гидродинамических параметров: времени подачи газовой фазы, времени подачи жидкости, скорости газа в колонне и кратности вытеснения жидкости на эффективность массообмена в циклическом режиме.

Результаты предшествующих исследований позволяют сделать вывод, что организация циклической работы аппаратов путем прерывания газового потока не обеспечивают повышения эффективности колонных аппаратов.

В то же время, организация циклической работы по жидкой фазе позволяет исключить смешение жидкости, стекающей с вышележащих ступеней на нижележащие, что обеспечивает повышение эффективности массопереноса на контактной ступени.

Время обработки жидкости на контактной ступени определяется, главным образом, растворимостью абсорбируемого газа.

Основным достоинством аппаратов с контролируемыми циклами является исключение неравномерности распределения газового потока по сечению колонны, возникающего из-за градиента уровня жидкости на контактной ступени. Это позволяет реализовать промышленные варианты аппаратов большого диаметра и упростить решение проблемы масштабного перехода.

; ■■ Во- второй главе представлены новые конструктивные разработки аппаратов, предназначенные для очистки промышленных газовых выбросов методом абсорбции, в которых реализуется циклический процесс подачи жидкой фазы при непрерывной подаче газовой фазы в аппарат. Конструкции этих аппаратов представлены на рисунках 1, 2 и 3.

Рис. 1. Массообмснный аппарат с поворотными беспсреливными тарелками (A.c. СССР №1761173).

Рис. 2. Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом и жидкостью (Патент 1'Ф №2013102). I

Рис.3. Схема установки для проведения процесса массообмена в циклическом режиме ( Патент. РФ №2050167)

Рис. 4. Тарельчатый массообмснный аппарат для обработки газожидкостных систем:!-корпус 2-тарелка;3-доб.масса;4-горизопталы1ая ось;5-шарнирная тяга;'6-шток;7-запорная пластина;8-слшшой карман;9-слишюе отверстие;10-фиксатор

В качестве базовой конструкции для дальнейших исследований..,была использована конструкция, изображенная на рисунке 4. Отличительной особенностью аппарата является наличие вертикальных шарнирных тяг, объединяющих контактные ступени в единую конструкцию. Изменяя величину добавочной массы на тарелках и расположение горизонтальных осей поворота относительно центра тарелок, можно регулировать время межфазного взаимодействия газа и жидкости при непрерывной подаче контактирующих фаз в аппарат и создать циклический режим работы во всем диапазоне рабочих нагрузок. Кроме этого, исключается смешение стекающей и поступающей жидкости.

Третьи глаиа посвящена рассмотрению вопросов моделирования рабочих стадий массообменного аппарата с циклическим режимом работы. С целыо определения времени межфазного взаимодействия т, представлена схема нагружения тарелки в рабочий период (рис. 5).

я

А В с

О

м. , М, х.„ ,м • Ли е ^ 1 м„

Рис.5. Схема нагружения тарелки в рабочий период. Уравнение моментов относительно оси поворота тарелки (точки С) имеет

вид:

М -хм + М, • х, + Мж> ■ х, = М2 ■ х2 + МЖ1 -х2 (1)

Введя в рассмотрение толщину слоя жидкости на тарелке (5) запишем:

= А ■8 • рж; мЖ2 = мж - мщ = /2 • 8 • рж (2)

мж = я112 • 8 • рж = Ь -Т| ■ Рж, (3)

Отсюда:

т = <Мх" +М'Х< -м2*2№2 ' ■

где величины хЛ1,х1,х2 являются функцией геометрии тарелки,т.е. радиуса К и эк-сцентристета (смещения оси поворота тарелки относительно её оси симметрии) е. Если конструкция контактной ступени предусматривает наличие отбортовки по периметру тарелки, то ее массу следует учитывать при определении М1 и М2.

При определении времени стекания жидкости с тарелки решалась задача слива жидкости с наклонной плоскости под действием силы тяжести и трения при переменной скорости, зависящей от времени. Для одномерного потока,

¡движущегося1'вдоль оси д- (IV = О,IV. =0), при постоянстве давления по направлению движения и внешней объемной силе А' уравнение Навье-

Стокса и неразрывности потока будет иметь вид:

(ЛУ.

81Г,

(д21Г д21Уг д2\У,

+ = ¿^шР + У

дх ' дх

дх2

г- +

ду2 +'дг2

дх

(5)

(6)

В силу независимости 1УХ от координаты 2 | ----- = 0 [ по условию задачи система

дЖг

(5) — (6) приводится к виду:

д1Ух . „ д2]¥х дх ду

(7)

Опустим индекс хпри IV и сформулируем математическую постановку задачи:

сЖ(у,т) д2№(у, X)

• - & со-"5 Р. 0< < 5, т>0

дх ду

IV (у,0) = 0,0 < < 8 (начальное условие)

(8) (9)

дЩ8,х)

ду

0, х > 0 (граничное условие на поверхности жидкости) (10)

IV(0, х) = 0, х > 0 (граничное условие на поверхности тарелки) (11)

Аналитическое решение уравнения (7) с учетом начальных и граничных условий имеет вид:

г _ 5Уовр _ 12В54ЯсозР х ^ ЗУ 7С6У"Т Ь

1 -ехр

Г(2и - 1)2_у 482

(12)

(2п — I)6

Обозначив время слива жидкости через х2 и, в связи с этим, заменив х в выражении (12) на х2 окончательно получим:

2Я

IV

(13)

При расчете массообмена в аппарате данной конструкции будем исходить из следующих предпосылок: 1).КПД по Мерфри и количество жидкости на каждой тарелке не изменяются по высоте колонны; 2). В период межфазного взаимодействия жидкость с тарелок не стекает и находится в состоянии

интенсивного перемешивания. Для /-ой ступени аппарата, считая снизу, можно записать:

ах

£ =

тХ, У* - ————ь Ь. ' с + ЧХ,

(14)

(15)

(16)

Из уравнения (14) и зависимостей для Е и У* можно получить

тХ,

У, = Е> с + ЧХ,

+ УН(\-Е) + Е-Ь,

с1Х)

тХ] с + цХ}

+

где А = С,Е!М,, у = 1,2,3... .

Интегрирование (18) в пределах от X1 до и от 0 до т, дает

т, =—1п 1 Ак

кХ^ + п

+

Ак2

кХ}+п

кХ]+1 +п

' Ак

(17)

(18)

(19)

где к - m + b¡q-gУJ^■, п = с(Ь1-У11 ),]-\,2,Ъ.....

Из уравнения (19) методом итераций при известных т,, У (концентрация

целевого компонента в газе на входе в аппарат) и Xо (концентрация жидкой фазы

па входе в аппарат) находится искомое значение концентрации целевого компонента в жидкой фазе -Хг Таким образом, рабочими формулами для расчета

процесса массообмепа в условиях контролируемых циклов будут соотношения (17) и (19).

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования кинетики массопереноса при абсорбции хорошо- и труднорастворимых газов на примере абсорбции аммиака и кислорода водой. Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рисунке 6. Корпус экспериментального аппарата имеет диаметр 300 мм и выполнен из оргстекла. В аппарате расположены 3 ситчатые тарелки с диаметром отверсий 5 мм, площадью свободного сечения 12% и межтарельчатым расстоянием 500 мм. Все эксперименты проводились в изотермическом режиме, при температуре потоков фаз 20±0,5°С. Измерения расхода газовой фазы

осуществлялись'спомо!цыо нормальной диафрагмы, измерения расхода жидкости - ротаметрами. Эксперименты проводились в диапазоне изменения скорстей газа 0,2-1,6 м/с и высот слоя жидкости 60-100 мм.

При изучении массопередачи, лимитируемой сопротивлением газовой фазы, в воздушную линию подавался аммиак, концентрация которого в жидкой и газовой фазах определялась химическим анализом. Пробы жидкости и газа отбирались в точках «я», «б» и «в», «г» соответственно (рис.6.) с помощью специального зонда.

1'ис.б. Схема экспериментальной усгаионки.

При проведении экспериментов по изучению массопередачи в жидкой фазе, для анализа содержания кислорода в воде использовался датчик, работающий на принципе: гальванического элемента с серебряным катодом и цинковым анодом, отделенных от исследуемой жидкости мембраной из тефлона.

Исследования, показали (рис. 7.) существенную зависимость эффективности контактной ступени от скорости газа, как для системы аммиак-вода, так и для системы кислород-вода, что подтверждается и предшествующими исследованиями ситчатых тарелок. В частности, экспериментами установлено, что при скоростях газа 0,2 - 0,4 м/с и менее имеет место эффект частичного провала жидкости с контактной ступени, что сказывается на снижении эффективное; > контактной ступени.

При скоростях газа более 1,0 м/с происходит снижение эффективности барбогажных ступеней из-за возникающего уноса жидкой фазы на вышележащие ступени контакта.Результаты экспериментальных исследований зависимости

эффективности контактной ступени от высоты слоя жидкости представлены на рисунке 8. ■ ,. . .

Проведенные исследования показали, что с увеличением высоты слоя жидкости эффективность контактной ступени повышается, из-за увеличения времени межфазного взаимодействия.

Е, °/о 90-

80-

Т, - 0.5 мин

—\—'—Г~ 04 Q8

"Г-12

20-

1.6 ¡'¿.м/с

5-

Т, ■= 5 мин

-i-1-1-1-1-1-1-1—►

0А 08 12 1.8 IV,,м/с

а)

б)

Рис. 7. Зависимость эффективности контактной ступени от скорости газа при различных высотах слоя жидкости а)- система аммиак-вода; 0) - система кислород-вода

Я. %

60

"Г-

70

W, = 1 м/с

I

80

90

100 5 .мм

я, %

25-

го-

15-

60

"Г-70

о - W, " 0.6 м/с * - Wt - 1 м/с л - W, » 1.4 м/с

I

80

т-

90

1005 ,J

а)

б)

Рис.Я.Зависнмость эффективности контактной ступени от высоты слои жидкости при различных скоростях газа я^-систсма аммиак-вода, Т, =0,5 мин, б>система кислород-вода, Г, —5 мин.

1 'Результата* ш^ёдотания'' закономерности массопереноса в аппарате с контролируемыми циклами по жидкой фазе свидетельствуют, (рис.9), что эффективность существенно зависит от времени пребывания жидкости на контактной ступени, причем эта зависимость посиг экспоненциальный характер. Оптимальным временем пребывания жидкости на контактной ступени следует считать время, при котором достигаются значения эффективности большие, чем на ситчатых тарелках, работающих в стационарном режиме.

а) 6)

в) г)

Е, % 252015-

10

25-

20-

15Т, ,лшя

8 = 100 мм

о - Щ -0.6м/с * - Щ - / м/с А - ЦТ "1.4м/с

т

10

-|—► 15Т| .мин

д)

е)

Рис. 9. Зависимость эффективности контактной ступени от времени обработки жидкости на контактной ступени при различных высотах слоя жидкости и скоростях газа; а, б, в — сист ема аммиак-вода; г ,д, с - система кислород-вода.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, представленное на рисунке 10, говорит о достаточно хорошей адекватности математической модели массообмена подученным экспериментальным данным.

К %

60-

60-

6 -- 60 мм и ; • I м/с

ж - эксп --- рпеч.

04

—Г~ С.8

12

£ %

25-

20-

15-

10-

н—*

10 Т, ..иин

6 - 60 мм

П', - I м/с « - экхп. — расч.

......*

10

Т, , мин

О)

б)

Рис. 10. Сравнение экспериментальных и расчетных значений эффективности контактной стунсни, работающей в циклическом режиме; «^-система аммиак-вода \б)— система кислород - вода.

В приложении к работе приведена блок-схема алгоритма и программа расчета процесса массообмена в аппарате с контролируемыми циклами.

ВЫВОДЫ

1. Результат анализа работы промышленных колонных аппаратов с барботажными контактными ступенями, используемых для абсорбционной очистки промышленных газовых выбросов показал невозможность повышения их пропускной способности за счет увеличения диаметра аппарата из-за резкого снижения эффективности очистки вследствие возникающей неравномерности распределения фаз по сечению аппарата.

2. Разработаны конструкции аппаратов, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, в которых используется циклический режим работы по жидкой фазе, что позволяет исключить неравномерность распределения газа по сечению аппарата и увеличить диаметр аппарата без снижения эффективности контактных ступеней.

3. На основании теоретических исследований выявлены оптимальные режимные параметры работы контактных ступеней, в том числе время рабочего периода и периода слива жидкости с контактной ступени.

4. В результате экспериментальных исследований массопереноса на контактной ступени аппарата с циклическим режимом работы на примере абсорбции трудно-и хорошо растворимых газов при различных нагрузках по фазам определен диапазон режимных параметров, обеспечивающих максимальную эффективность аппарата.

5. Результаты экспериментальных исследований аппаратов с циклическим режимом работы подтвердили их перспективность для повышения эффективности абсорбционной очистки газов, а также возможность увеличения диаметра аппаратов без снижения эффективности контактных ступеней.

6. Разработана математическая модель процесса массообмена на контактной ступени аппаратов, работающих в циклическом режиме, обеспечивающая хорошую адекватность с экспериментальными данными.

7. Разработана научно-обоснованная методика расчета и проектирования абсорбционных аппаратов барботажного типа, работающих в циклическом режиме.

Основные условные обозначении. Е- эффективность по Мерфи, %; е-эксцентристет, смещение оси поворота тарелки относительно ее оси симметрии, м; площадь «тяжелой» (с добавочным грузом) части тарелки, м2; /2-площадь «легкой» части тарелки, м2; С?- расход газа, м3/час; ^-ускорение свободного падения, м/с2; ¿-расход жидкости, м3/час; М-масса добавочного груза, кг; Мг масса «тяжелой» (с добавочным грузом) части тарелки, кг; Мг -масса «легкой»

части тарелки, кг; Мж- общая масса жидкости на тарелке, кг; M - масса жидкости на «тяжелой» части тарелки, кг; Л/ -масса жидкости на «легкой»

части тарелки, кг; ô-высота слоя жидкости па тарелке, мм; R- радиус тарелки, м; т,- время пребывания жидкости на контактной ступени, с; т2- время слива жидкости с тарелки, с; хп,х]гх2~ плечи масс М, М[у Мг соответ-ственно относительно оси поворота тарелки, м; рж - плотность жидкости, кг/м3; Р- угол наклона тарелки, рад; W- скорость течения жидкости, м/с; X -концентрация компонента в жидкой фазе, моль/л; Y- концентрация компонента в газовой фазе, моль/л. Индексы: *- равновесное значение; -среднее значение; начальное значение; у'-номер контактной ступени.

Основное содержание диссертации опубликовано п следующих работах;

1. Авторское свидетельство СССР №1761173. Массообменный аппарат для обработки газ(паро)жидкостных систем./С.Б.Азизов, М.И.Фарахов, Б.М.Азизов и др. Бюлл. изобр., 1992, №34.

2. Дьяконов С.Г., Азизов С.Б., Фарахов М.И. Интенсификация действующих массообменных аппаратов путем перевода их в циклический режим работы. - В сб: 2-я Республиканская конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-92», Тезисы докладов,- Нижнекамск, 1992, с.56-57.

3. Азизов С.Б., Азизов Б.М., Фарахов М.И. и др. Массообменный аппарат для обработки газо(паро)жидкостных систем.- Рационализаторские предложения и научно-технические достижения. Научно-технический реферативный сборник.-М.: НИИТЭХИМ, 1992, с.4-7.

4. Дьяконов С.Г., Азизов С.Б., Фарахов М.И., Массообменные аппараты с циклическим режимом работы— Казань, 1991. -16 с. - Депонировано в ЦИН'ГИХимнефтемаше 4.02.1992 г. №2214-хн.

5. Патент Российской Федерации №2013102. Аппарат для тепло- и массообмена между газом (паром) и жидкостью. /С.Б.Азизов, Б.М.Азизов, М.И.Фарахов и др. Бюлл. изобр., 1994, №10.

6.Патент Российской Федерации №2050167. Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме./ Фарахов М.И., Азизов С.Б.,Азизов Б.М. и др. Бюлл. изобр.,1995, №36.

7. Азизов С.Б., Фарахов М.И., Альгапов А.Р., Обработка жидкости в режиме контролируемых циклов,- Процессы и оборудование экологических производств. Сборник трудов IV традиционной научно-технической конференции стран СНГ,-Волгоград, 1998, с.28-29.

8. Азизов С.Б., Фарахов М.И., Альтапов А.Р., Азизов Б.М. Новый подход к аппаратурному оформлению массообменных процессов в циклическом режиме,-Третьи Вавиловские чтения. Социум в преддверии XXI века: итоги пройденного пути, проблемы настоящего, контуры будущего. Материалы

ьо

постояннодействующей Всероссийской междисциплинарной научной конференции, ч.И.- Йошкар-Ола, 1999, с.38-39.

9. Азизов С.Б., Азизов Б.М., Фарахов М.И. Применение массообменных циклических процессов для переработки и утилизации отходов,- Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. Труды 4-й Всероссийской научно -практической конференции,- Санкт-Петербург, 1999, с. 349-352.

10. Азизов С.Б., Азизов Б. М., Фарахов М.И. Аппаратурное оформление массообменных циклических , процессов,- Методы кибернетики химико-технологических процессов. V-я Международная конференция, посвященная 85-летию со дня рождения академика В.В.Кафарова,- Казань, 1999, с.142-143.

11. Азизов С.Б., Анаников C.B., Азизов Б.М. Гидродинамика неустановипшегося течения жидкости в условиях контролируемой циклической ректификации.-Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 2002, т. 45, вып. 6, с.78-82.

12. Азизов С.Б., Анаников C.B., Азизов Б.М., Салахиев Р.Н. Математическое описание массообмена на контактных ступенях аппарата с циклическим режимом работы. В сб.: Материалы конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства», в 2-х томах.-Казань, издательство: учреждение-редакция «Бу глеровские сообщения», 2004, т.1, с. 17-20.

Основные условные обозначения

Введение

Глава 1. Современное состояние теории и практики процессов разделения газо(паро)жидкостных систем в циклических режимах

1.1. Гидродинамика и массоперенос в газо(паро)жидкостных системах при циклических режимах

1.2. Анализ существующих математических моделей процесса массообмена в циклическом режиме

1.3. Аппаратурное оформление процессов массообмена 34 в циклическом режиме

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Новые конструктивные разработки контактных массообменных устройств с циклическим режимом работы

2.1. Массообменный аппарат с беспереливными поворотными тарелками

2.2. Тарельчатый аппарат для тепло- и массообмена между газом(паром) и жидкостью в условиях контролируемых циклов

2.3. Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме с использованием байпасной линии

2.4. Тарельчатый массообменный аппарат для обработки газо(паро)жидкостных систем в циклическом режиме

Глава 3. Математическое моделирование рабочих стадий массообменного аппарата с циклическим режимом работы

3.1. Определение времени межфазного взаимодействия на контактных элементах колонны

3.2. Закономерности массопереноса при межфазном взаимодействии

3.3. Расчёт времени слива жидкости с тарелки

3.4. Расчёт «проскока» газа в период слива жидкости

3.5. Расчёт площади проходного сечения для газа(пара) при сливе жидкости

3.6. Определение концентрации газа(пара) на входе в контактную ступень с учётом «проскока»

Глава 4. Экспериментальное изучение процесса массообмена на примере абсорбции газов

4.1. Анализ кинетики процесса абсорбции в барботажных аппаратах

4.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов

4.2.1. Схема и описание экспериментальной установки

4.2.2. Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных

4.3. Результаты экспериментальных исследований

4.4. Идентификация математической модели процесса абсорбции на контактном устройстве, работающем в циклическом режиме

Выводы

Широкое распространение в последние десятилетия в химической и нефтехимической промышленности, энергетике получили аппараты барботажного типа для очистки газовых выбросов от вредных компонентов. Однако, промышленная эксплуатация таких аппаратов выявила ряд их существенных недостатков.

Один из них - низкая предельная скорость но газовой фазе (не превышающая 1.5 м/с), что исключает их использование при больших объёмах газовых выбросов, поскольку увеличение диаметра колонной аппаратуры этого тина ведёт к резкому снижению эффективности контактных устройств. В этой связи представ^ется перспективным использование для целей абсорбционной очистки больших объёмов промышленных газовых выбросов аппаратов, работающих в циклическом режиме.

Вместе с тем, несмотря на ряд исследований, позволяющих сделать вывод о перспективности такого конструктивного оформления абсорбционных аппаратов, отсутствие научно обоснованных метлой расчёта и проектирования сдерживает их промышленную реализацию. Поэтому представляет,. несомненный практический и научным интерес исследование основных характеристик барботажных аппаратов, работающих в циклическом режиме, с целыо выявления оптимальных режимов их работы. В рукополстс работой принимал участие кандидат технических наук, донемт Фарахоп М.И.

Выводы

1. Результат анализа работы колонных абсорбционных аппаратов с барботажными контактными устройствами показал ряд существенных недостатков, ограничивающих их промышленное применение для очистки крупнотоннажных газовых выбросов промышленных предприятий, в связи с чем в работе предложено решение проблемы путём использования аппаратов с циклическим режимом работы.

2. Разработаны различные вырианты конструкций абсорбционных аппаратов, работающих в циклическом режиме, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

3. Выполнен комплекс экспериментальных исследований режимных параметров работы контактных устройств предложенных аппаратов, в том числе времени рабочего периода и периода слива жидкости с контактного устройства.

4. Проведены экспериментальные исследования абсорбции трудно- и хорошо- растворимых газов на контактных устройствах исследуемых аппаратов в широком диапазоне нагрузок по фазам и времени пребывания жидкости на ступенях контакта, позволившее выявить оптимальный диапазон работы устройств, обеспечивающей максимальную эффективность процесса массообмена.

5. Полученные экспериментальные результаты подтвердили возможность повышения эффективности процесса абсорбции в аппаратах с циклическим режимом работы и возможность промышленной реализации аппаратов большого диаметра без снижения их эффективности.

6. Разработана математическая модель процесса массообмена на контактных устройствах аппаратов, работающих в циклическом режиме и показано её хорошее согласование с экспериментальными результатами.

7. Представлена научно-обоснованная методика расчёта и проектирования абсорбционных аппаратов барботажного типа, работающих в циклическом режиме.

1. Шпорхун В.И., Тютюнников А.Б., Марченко А.Н. // Сб.: Состояние производства колонной аппаратуры и основные пути её дальнейшего развития. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1966.

2. Малюсов В.А. Новые процессы и аппараты для разделения и очистки веществ // ТОХТ. 1987. - Т. 21, № 1. - С. 26-34.

3. Cannon M.R. Controlled cycling improves various processes // Ind. Eng. Chem. 1961. - V. 53, N 8. - P. 629.

4. Соммерфельд Д.Т. Контролируемая циклическая ректификация // Хим. промышленность. 1968. № 1. - С. 51-57.

5. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Назаров Н.С. Исследование циклической ректификации в тарельчатой колонне // ТОХТ. 1977. - Т. 11, №4.-С. 491-502.

6. Конобеев Б.И., Фандеев М.А. Эффективность тарельчатых экстракторов, работающих в режиме с контролируемыми циклами // ТОХТ. -1982.-Т. 16, №2.-С. 147-154.

7. Семинар по проблеме «Теоретические основы химической технологии» // ТОХТ. 1974. - Т. 8, № 2. - С. 940-942.

8. Полоцкий JI.M., Свиридов Н.Д. Массообмен в циклическом режиме в насадочных колоннах и колоннах с ситчатыми провальными тарелками // Промышленность синтетического каучука: Научно-технический реферативный сб. 1977. - № 8. - С. 5-6.

9. Промышленные испытания циклической экстракции триоксанабензолом / Фандеев М.А., Павликов Р.З., Конобеев Б.И. и др. // Хим. промышленность. 1984. № 3. - С. 170-172.

10. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. Исследования средней эффективности и коэффициента полезного действия ступениректификационных аппаратов циклического действия // ТОХТ. 1986. - Т. 20, № 5. - С. 579-583.

11. Малагамба Л.Г., Березин Б.В. Исследование перемешивания жидкости в условиях циклической ректификации. Свердловск. Уральский политехнический ин-т. - 1979. - 12 с. Деп. в отделении НИИТЭХИМ, г. Черкассы. - № 151 хп- Д80.

12. Беме Б. Оптимальные циклические режимы в процессах разделения: Автореф. дис. .канд. техн. наук / М., Московский ин-т хим. машиностр. -М., 1975.- 16 с.

13. Gerster J.A., Scull Н.М. Performance of tray columns operated in the cycling mode // AlCh. E. Journ. 1970. V. 16, N 1. - P. 108-111.

14. McWhirter J.R., Lloyd W.A. Controlled cycling in distillation and extraction // Chem. Eng. Progr. 1963. - V. 59, N 6. - P. 58-63.

15. May R.A., Horn F.J.M. Stage efficiency of a periodically operated distillation column // IEC Process design and development. 1968. - V. 7, N 1. -P.61-64.

16. Эффективность контактных устройств с пульсирующими потоками/ Колтунова J1.H., Позин Л.С., Аэров М.Э. и др. // ТОХТ. 1978. - Т. 12, № 3. -С. 323-328.

17. Малета В.П., Дубовик В.А., Таран В.М. Исследование циклической ректификации в тарельчатых исчерпывающих колоннах. Киев. Киевский технологический ин-т пищевой промышленности. - 1986. - 35 с. Деп. в УкрНИИНТИ, Киев. - № 187-Ук, 1988.

18. Массообменные процессы с регулируемыми циклами / Конобеев Б.И., Фандеев М.А., Арутюнян Г.Р. и др. // ТОХТ. 1976. - Т. 10, № 2. - С. 190-196.

19. Гельперин Н.И., Полоцкий JI.M., Потапов Т.Г. Исследование работы колпачковой тарельчатой ректификационной колонны в циклическом режиме // Химическое и нефтяное машиностроение. 1975. - № 8. - С. 15-16.

20. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р. Некоторые вопросы гидродинамики и массообмена в процессе ректификации с контролируемыми циклами // В сб.: XI Менделеевский съезд по общей химии. Теоретические основы химической технологии. Алма-Ата, 1974. - С. 24-26.

21. Гельперин Н.И., Полоцкий JI.M. Исследование работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками в циклическом режиме // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. М., 1974. - Т. 4, № 1.-С. 149-151.

22. Арутюнян Г.Р. Циклическая ректификация в тарельчатых и насадочных аппаратах: Автореф. дис. .канд. техн. наук. /М., 1984. -23 с.

23. Исследование работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий JIM., Потапов Т.Г. и др. // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. М., 1975. -Т. 5,№2.-С. 191-194.

24. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. Удерживающая способность и оптимальные периоды подачи фаз при ректификации в циклическом режиме // ТОХТ. 1987. - Т. 21, № 4. - С. 546-548.

25. Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Назаров П.С. Модель процесса циклической ректификации в тарельчатых аппаратах // ТОХТ. 1987. - Т. 21, №2.-С. 166-170.

26. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -II. Separation of a binary mixture // Chem. Eng. Science. 1981. - V. 36, N 11. - P. 1819-1827.

27. Эффективность работы тарелок струйного типа при секционировании потока жидкости / Косьмин В.Д., Лебедев Ю.Н., Молоканов Ю.К. и др. // Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования. Научно-техн. сб. 1975. - № 2. - С. 3-5.

28. Gautreaux M.F., O'Connell Н.Е. Effect of length of liquid path on plate efficiency // Chem. Eng. Progr. 1955. - V. 51, N 5. - P. 232-237.

29. Данилычев И.А., Плановский А.Н., Чехов О.С. Исследование массообмена в жидкой фазе на ситчатых тарелках с учетом продольного перемешивания // Хим. промышленность. 1965. - № 10. - С. 461-465.

30. Дильман В.В., Ручинский В.Р. Повышение эффективности массообменных аппаратов // Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия и топливо. -1961.-№4.-С. 160-165.

31. А. с. 226550 (СССР). Массообменный аппарат для взаимодействия газа с жидкостью / Гурьянов А.И., Азизов Б.М., Галеев А.Ф. и др. // Бюл. изобр. 1968. - № 29.

32. А. с. 921590 (СССР). Массообменный аппарат / Поникаров И.И, Азизов Б.М., Ахметов Т.Г. и др. // Бюл. изобр. 1982. - № 15.

33. Levis W.K Rectification of binary mixtures // Ind. Eng. Chem. 1936. -V. 28,N4.-P. 399-402.

34. Гельперин Н.И., Пебалк B.JI., Костанян A.E. Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности. М.: Химия, 1977.-261 с.

35. Ветохин В.Н. Разделение многокомпонентных смесей // В сб.: Процессы и аппараты химической технологии, сер.: Итоги науки и техники. -М., 1973.- 107 с.

36. Розен A.M., Крылов B.C. Проблемы масштабного перехода при разработке массообменной аппаратуры // ТОХТ. 1967. - Т. 1, № 3. - С. 297305.

37. Shulman H.L., Mellish W.G., Lyman W.H. // AlCh. E. Journ. 1971. V. 17, N3.-P. 631-640.

38. Рамм B.M. Абсорбция газов. M.: Химия, 1976. - 655 с.

39. Исследование работы ректификационной насадочной колонны в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий JIM., Потапов Т.Г. и др. // Труды Московского ин-та тонкой хим. технологии. 1974. - Т. 4, № 2. - С 114-116.

40. Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Малюсов В. А. Описание циклической ректификации в насадочных колоннах с помощью математических моделей // ТОХТ. 1979. - Т. 13, № 4. - С. 499-510.

41. Розен A.M., Аксельрод JI.C., Дильман В.В. Некоторые вопросы масштабного перехода при разработке массообменных аппаратов // ТОХТ. -1967.-Т. 1,№4.-С. 446-458.

42. Розен A.M., Крылов B.C. Масштабный переход и гидравлическое моделирование промышленной массообменной аппаратуры // В сб.: Тепло- и массоперенос. Минск, 1972.-Т. 4.-С. 180-191.

43. Розен A.M., Лаповак Л.И., Елатомцев Б.В. К вопросу о гидравлическом моделировании противоточных аппаратов большого диаметра // Химическое и нефтяное машиностроение. 1964. - № 4. - С. 1418.

44. Дильман В.В. Влияние поперечной неравномерности движения на эффективность массопередачи при перекрестном токе // Химическая промышленность. 1965. - № 10. - С. 760-762.

45. Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. Киев: Вища школа, 1973. - 280 с.

46. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико- технологических процессов (математическое описание процессов). М.: Химия, 1973. - 224 с.

47. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576 с.

48. Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1976.-463 с.

49. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. Нелинейные системы. Л.: Химия, 1979. - 208 с.

50. Furzer I.A., Duffy GJ. Periodic cycling of plate columns: discreate residence time distribution // AlCh. E. Journ. 1976. V. 22, N 6. - P. 1118-1125.

51. Duffy G.J., Furzer J.A. Mass transfer on a single sieve plate column operated with periodic cycling // AlCh. E. Journ. 1978. V. 24, N 4. - P. 588-598.

52. Эффективность контактных устройств с пульсирующими потоками / Колтунова Л.Н., Позин Л.С., Аэров М.Э и др. // ТОХТ. 1978. - Т. 12, № 3. -С. 323-328.

53. Колтунова Л.Н. Влияние циклической подачи фаз на эффективность массообменных аппаратов // ТОХТ. 1980. - Т. 14, № 5. - С. 643-649.

54. Колтунова Л.Н. Об эффективности массообменных аппаратов, работающих в режиме периодической подачи фаз // ТОХТ. 1983. - Т. 27, № 5.-С. 670-673.

55. Исследование контактных устройств ректификационной колонны, работающей в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Ленский М.С. и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985. - № 3. - С. 22-23.

56. Расчет профиля концентраций жидкости на тарелках ректификационной колонны, работающей в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Логовинский С.Н. и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978.- № 8 - С. 11-13.

57. Использование ячеечной модели при расчете циклического процесса ректификации / Малета В.Н., Таран В.А., Дубовик Т.В. // Изв. Вузов. Пищевая технология. 1987. - № 5. - С. 62-65.

58. Заявка 56-37841 (Япония). Способ и устройство для контактирования газа и жидкости // Изобретения в СССР и за рубежом. -1982.-вып. 16, №5.

59. Применение ячеечных моделей для расчета циклических колонн / Копыленко А.В., Таран В.М., Геращенко В.Н. и др. // VI Всесоюзная конференция по ректификации. Тез. докл. Северодонецк, 1991. - С. 116.

60. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1979.439 с.

61. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1981. - 811 с.

62. Евстафьев А.Г. Ректификационные установки. М.: Машгиз, 1963. -163 с.

63. McWhriter J.R., Canon M.R. Controlled cycling distillation // Ind. Eng. Chem. 1961. - V. 53, N 8. - P. 632-634.

64. A. c. 472663 (СССР). Тарелка ректификационной колонны с контролируемыми циклами / Конобеев Б.И., Арутюнян Г.Р., Назаров П.С // Бюл. изобр.- 1975.-№21.

65. Патент 4381974 (США). Ректификационная колонна // Изобретения в СССР и за рубежом. 1984. - вып. 16, № 1.

66. А. с. 1057050 (СССР). Массообменный аппарат для процессов в режиме с контролируемыми циклами / Копыленков А.В, Таран В.М. // Бюл. изобр.- 1988.-№44.

67. А. с. 572285 (СССР). Способ проведения процесса массообмена в циклическом режиме / Гельперин Н.И., Полоцкий Л.М., Потапов Т.Г. // Бюл. изобр.-1977.-№34.

68. А. с. 1072864 (СССР). Массообменная тарелка / Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Конобеев Б.И. и др. // Бюл. изобр. 1984. - № 6.

69. А. с. 1005804 (СССР). Способ проведения процесса ректификации в циклическом режиме / Арутюнян Г.Р., Конобеев Б.И., Малюсов В.А. и др. // Бюл. изобр.- 1983.-№ 11.

70. А. с. 1212451 (СССР). Массообменное контактное устройство / Таран В.М., Малета В.Н., Заднепряный В.А. и др. // Бюл. изобр. 1986. - № 7.

71. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -I. // Chem. Eng. Science. 1981, V. 35. - Р. 859.

72. Baron G., Wajc S., Lavie R. Stepwise periodic distillation -II. Separation of a binary mixture // Chem. Eng. Science. 1981, V. 36, N 11. - P. 1819.

73. Matsubara M., Watanabe N., Kurimoto H. Binary periodic distillation scheme with enhanced energy conservation -1 // Chem. Eng. Science. 1985, V. 40,N5.-P. 715-726.

74. Matsubara M., Watanabe N., Kurimoto H. Binary periodic distillation scheme with enhanced energy conservation II // Chem. Eng. Science. - 1985, V. 40,N5.-P. 755-758.

75. A. c. 1214126 (СССР). Эмульгирующий насадочный массообменный аппарат / Арутюнян Г.Р., Малюсов В.А., Курносенков С.И. // Бюл. изобр. -1986.-№8.

76. Математическая модель и алгоритм расчета полунепрерывного процесса абсорбции в тарельчатом аппарате / Размолодин Л.П., Протодьяконов И.О., Овчинников А.И. и др. // Журн. прикл. химии. 1978. -Т. 51, №3.-С. 627-630.

77. Протодьяконов И.О., Романков П.Г., Самсонов А.Г. // Журн. прикл. химии. 1972. - Т. 65, № 5. - С. 1146.

78. Ходоров Е.И., Вертепов П.С. // ТОХТ. 1974. - Т. 8, № 5. - С. 671.

79. А. с. 1360753 (СССР). Тепломассообменный аппарат / Копыленко A.B., Таран В.М., Заднепряный В.А. // Бюл. изобр. 1987. - № 47.

80. А. с. 1398883 (СССР). Тепломассообменный аппарат / Копыленко A.B., Таран В.М., Заднепряный В.А. // Бюл. изобр. 1988. - № 20.

81. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон A.C. Теоретическая механика в примерах и задачах. Т. 1. М.: Наука, 1972. - 512 с.

82. Кущенко B.C. // Тр. Ленингр. Технологии, ин-та им. Ленсовета. -1957.-вып. 41.-С. 92.

83. Польский Г.В. // Изв. Вузов. Пищевая технология. 1963. - № 6. -С.125.

84. Конобеев Б.И. К вопросу о количественном описании массопередачи // Докл. АН СССР. 1971. - Т. 197, № 4. - С 890-893.

85. Левич В.Г. Физико- химическая гидродинамика. М.: Изд. АН СССР, 1952.-538 с.

86. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 2. -М.: Физматгиз, 1959. 808 с.

87. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: Наука, 1964.-228 с.

88. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. -544 с.

89. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. Т. 1. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1965. - 548 с.

90. Пери Дж. Т. Справочник инженера химика / Перев. с англ. под ред. акад. Жаворонкова Н.М. и чл.-корр. АН СССР Романкова П.Т. Л.: Химия, 1969, т. 1.-640 с.

91. Альперин В.З., Контик Э.И., Кузьмин A.A. Современные электрохимические методы и аппаратура для анализа газов в жидкостях и газовых смесях. М.: Химия, 1975, 184 с.